EP0014963A2 - Verfahren zur Herstellung von bicyclischen Enoläthern sowie Äther von 2-(3-Hydroxyprop-1-yl)-cycloalkanonen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von bicyclischen Enoläthern sowie Äther von 2-(3-Hydroxyprop-1-yl)-cycloalkanonen Download PDF

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EP0014963A2
EP0014963A2 EP80100747A EP80100747A EP0014963A2 EP 0014963 A2 EP0014963 A2 EP 0014963A2 EP 80100747 A EP80100747 A EP 80100747A EP 80100747 A EP80100747 A EP 80100747A EP 0014963 A2 EP0014963 A2 EP 0014963A2
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allyl
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Axel Dr. Nuerrenbach
Werner Dr. Hoffmann
Franz Dr. Wenisch
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Definitions

  • the present invention relates to an improved process for the preparation of bicyclic enol ethers of the general formula I. in which n has a value from 3 to 12 and in which the radicals R 1 - R 3 are hydrogen or a C 1 - C 4 alkyl radical.
  • the invention further relates to new ethers of 2- (3-hydroxy-prop-1-yl) cycloalkanes of the general formula II in which R 4 denotes the tert-butyl group, the tetrahydrofuran-2-yl group or the tetrahydropyran-2-yl group.
  • the invention was therefore based on the object of the basic method known from DE-PS 21 36 496 and To improve the avoidance of the disadvantages mentioned.
  • bicyclic enol ethers of the general formula I in which n has a value of 3 to 12 and in which the radicals R 1 - R 3 represent hydrogen or a C 1 - C 4 alkyl radical, by radical addition of an allyl compound to a cyclic ketone of the general formula IV and subsequent acid-catalyzed cyclization to (I) is advantageously obtained if an allyl ether of the general formula III is used as the allyl compound used, in which R 4 is the tert-butyl group, the tetrahydrofuran-2-yl group or the tetrahydropyran-2-yl group.
  • the starting compounds (III) are derived in accordance with the mainly desired process products I from the allyl alcohol.
  • but-2-en-1-ol, but-1-en-3-ol and methallyl alcohol are of particular importance.
  • the ethers of these alcohols according to the definition can be obtained in a simple manner by reacting the alcohols with isobutene, 2,3-dihydrofuran or 2,3-dihydropyran in the presence of acidic catalysts, it being particularly expedient to use acidic ion exchangers as catalysts.
  • This etherification is generally carried out at normal pressure or at elevated pressure - approximately up to 50 bar - and at temperatures of 0-100 ° C., preferably 40-80 ° C.
  • the radical catalysts for the reaction of (III) with (IV) can in principle be of any type, but preference is given to using those which only become active at those temperatures, i.e. decay into radicals in which the ⁇ addition of (III) to (IV) proceeds with sufficient speed. These temperatures are usually between 80 and 180 ° C, especially between 120 and 150 ° C. In general, this reaction can be carried out at 50-200 ° C, although it slows down noticeably at temperatures lower than 80 ° C and even if the formation is generally higher than 150 ° C. of by-products.
  • suitable catalysts for the particularly preferred temperature range of 120-150 ° C. are, for example, dibenzoyl peroxide, tert-butyl peroctoate and azodiisobutyronitrile, and especially di-tert-butyl peroxide.
  • (III) and (IV) react with one another in equimolar proportions, but in order to suppress side reactions, it is generally advantageous to use (IV) in a molar excess of up to 20 times.
  • the amount of the radical catalyst is preferably in the range of 0.05-0.7 mol, particularly 0.1-0.3 mol, per mole (III).
  • reaction of (III) with (IV) gives the compounds.
  • (II) which, if desired, can be isolated in the customary manner, but is preferably subjected directly to the acid-catalyzed cyclization reaction which proceeds with the elimination of water and isobutene, 2,3-dihydrofuran or 2,3-dihydropyran.
  • any acids i.e. protonic acids and Lewis acids
  • a homogeneous or heterogeneous phase e.g. acidic ion exchangers
  • acids e.g. acidic ion exchangers
  • semi-volatile organic strong acids in a homogeneous phase have proven particularly useful, with cheap p-toluenesulfonic acid being the first to be mentioned.
  • the amount of the acid is advantageously 0.001-0.3, particularly 0.05-0.2 mol equivalents. per mole (II).
  • the cyclization is preferably carried out at 60-150 ° C., particularly 80-130 ° C. and under a pressure of 0.05 mbar-50 bar, particularly 0.1-1 mbar.
  • the removal of the water can be done by ongoing azeotropic distillation, e.g. with toluene. After the water has been separated off, the olefinic cleavage products can be returned to the stage of the preparation of (III).
  • the process can be carried out discontinuously as well as continuously according to the usual techniques, so that further details are not necessary. This also applies to the processing for the process products (I).
  • the main advantage of the process is that the allyl alcohols (III ') are converted into the ethers (III) at relatively low temperatures, at the reaction temperatures the radical addition is much easier to handle than the free alcohols. Despite the additional etherification stage, the process is more economical than when the alcohols (III ') are used directly.

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Abstract

Herstellung von bicyclischen Enoläthern(I) <IMAGE> (n = 3-12; R¹, R², R³ = H, C1-C4-Alkyl) durch radikalische Addition von CHR¹ = CR²-CHR³-O-R<4> (III; R<4> = tert.-Butyl; Tetrahydrofuran-2-yl; Tetrahydropyran-2-yl) an ein cyclisches Keton (IV) <IMAGE> und anschließende sauer katalysierte Cyclisierung. Neue Verbindungen II <IMAGE> I und II sind Zwischenprodukte für die Synthese von moschusartigen Duftstoffen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung bicyclischer Enoläther der allgemeinen Formel I
    Figure imgb0001
    in der n-einen Wert von 3 - 12 hat und in der die Reste R 1 - R 3 für Wasserstoff oder einen C1 - C4-Alkylrest stehen. Ferner betrifft die Erfindung neue Äther von 2-(3-Hydroxy--prop-1-yl)-cycloalkanen der allgemeinen Formel II
    Figure imgb0002
    in der R4 die tert.-Butylgruppe, die Tetrahydrofuran-2-yl- gruppe oder die Tetrahydropyran-2-ylgruppe bedeutet.
  • Aus der DE-PS 21 36 496 ist es bekannt, die Verbindungen I, die als Zwischenprodukte für die Synthese von moschusartigen Duftstoffen Bedeutung haben, durch radikalische Addition eines Allylalkohols oder eines Allylesters (III')
    Figure imgb0003
     an ein cyclisches Keton (IV)
    Figure imgb0004
    und durch sauer katalysierten Ringschluß der hierbei erhaltenen Addukte II' herzustellen
    Figure imgb0005
    wobei man im Falle der Verwendung von Allylestern den Säurerest vor der Ringschlußreaktion zuvor hydrolytisch abspalten muß.
  • Dieses Verfahren ist wegen der großen Empfindlichkeit des Allylalkohols und seiner Homologen nachteilig. Geht man hingegen von den Estern dieser Alkohole aus, so erfordert dies nach der Additionsreaktion den zusätzlichen Verfahrensschritt der hydrolytischen Abspaltung der Säure.
  • Ferner ist aus Isvest. Akad. Nauk, SSSR, Otdel. Khim. Nauk 1961, Seite 2065 f die radikalische α-Addition von Allyl- äthern von n-Alkan-1-olen an Cyclopentanon und Cyclohexanon zu Verbindungen des Typs (II) bekannt, jedoch lassen sich diese Verbindungen nicht zu bicyclischen Enoläthern cyclisieren.
  • Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das aus der DE-PS 21 36 496 in seinen Grundzügen bekannte Verfahren un- r ter Vermeidung der genannten Nachteile zu verbessern.
  • Es wurde nun gefunden, daß man bicyclische Enoläther der allgemeinen Formel I
    Figure imgb0006
    in der n einen Wert von 3 - 12 hat und in der die Reste R1 - R3 für Wasserstoff oder einen C1 - C4-Alkylrest stehen, durch radikalische Addition einer Allylverbindung an ein cyclisches Keton der allgemeinen Formel IV
    Figure imgb0007
    und anschließende sauer katalysierte Cyclisierung zu (I) auf vorteilhafte Weise erhält, wenn man als Allylverbindung einen Allyläther der allgemeinen Formel III
    Figure imgb0008
    verwendet, in welcher R4 die tert.-Butylgruppe, die Tetrahydrofuran-2-yl-gruppe oder die Tetrahydropyran-2-yl-gruppe bedeutet.
  • Die Ausgangsverbindungen (III) leiten sich, entsprechend den hauptsächlich gewünschten Verfahrensprodukten I, vor allem vom Allylalkohol ab. Daneben haben besonders das But-2-en-1--ol, das But-1-en-3-ol und der Methallylalkohol Bedeutung.
  • Die definitionsgemäßen Äther dieser Alkohole sind in einfacher Weise durch Umsetzung der Alkohole mit Isobuten, 2,3-Dihydrofuran bzw. 2,3-Dihydropyran in Gegenwart saurer Katalysatoren erhältlich, wobei es besonders zweckmäßig ist, als Katalysatoren saure Ionenaustauscher zu verwenden. Man nimmt diese Verätherung im allgemeinen bei Normaldruck oder bei erhöhtem Druck - etwa bis zu 50 bar - und bei Temperaturen von 0 - 100°C, vorzugsweise 40 - 80°C, vor.
  • Unter den Ausgangsverbindungen (IV) sind das Cyclopentanon, Cyclohexanon, Cyclooctanon und vor allem das Cyclododecanon hervorzuheben.
  • Die radikalischen Katalysatoren für die Umsetzung von (III) mit (IV) können prinzipiell beliebig sein, jedoch verwendet man vorzugsweise solche, die erst bei denjenigen Temperaturen aktiv werden, d.h. in Radikale zerfallen, bei denen die α-Addition von (III) an (IV) mit genügender Geschwindigkeit verläuft. Diese Temperaturen liegen in der Regel zwischen 80 und 180°C, besonders zwischen 120 und 150°C. Allgemein läßt sich diese Reaktion bei 50 - 200°C ausführen, wenngleich sie sich bei tieferen Temperaturen als 80°C merklich verlangsamt und wenngleich man über 150°C in der Regel mit der vermehrten Bildung. von Nebenprodukten zu rechnen hat. Für die Wahl der Temperatur ist es weiterhin maßgebend, daß man die Umsetzung nach Möglichkeit bei Normaldruck ausführt, weil sowohl geringerer Druck - etwa bis zu 200 mbar absolut - als auch höherer Druck - etwa bis zu 50 bar - den wirtschaftlichen Nachteil der Verwendung von Druckapparaturen bedingt.
  • Als Katalysatoren für den besonders bevorzugten Temperaturbereich von 120 - 150°C eignen sich aus den genannten Gründen beispielsweise Dibenzoylperoxid, tert.-Butylperoctoat und Azodiisobutyronitril sowie besonders Di-tert.-butylperoxid.
  • (III) und (IV) reagieren in äquimolaren Mengenverhältnissen miteinander, jedoch ist es im allgemeinen zur Unterdrückung von Nebenreaktionen vorteilhaft, (IV) im etwa bis zu 20-fachen molaren Überschuß einzusetzen. Die Menge des radikalischen Katalysators liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 - 0,7 mol, besonders 0,1 - 0,3 mol pro Mol (III).
  • Soweit (III) und (IV) bei den Reaktionstemperaturen flüssig sind und der Katalysator im Reaktionsgemisch ausreichend löslich ist, erübrigt sich in aller Regel die Mitverwendung eines inerten Lösungsmittels. Möchte man trotzdem in Gegenwart eines Lösungsmittels arbeiten, etwa weil die Ausgangsverbindungen bereits in Lösung vorliegen oder weil sich die Bildung von Nebenprodukten mit Hilfe von Lösungsmitteln zuweilen vermindern läßt, so eignen sich hierfür z.B. Petrol- äther, Cyclohexan, Benzol und Chlorbenzol.
  • Bei der Umsetzung von (III) mit (IV) erhält man die Verbindungen.(II)
    Figure imgb0009
     die man gewünschtenfalls wie üblich isolieren kann, vorzugsweise jedoch unmittelbar der sauer katalysierten Cyclisierungsreaktion unterwirft, welche unter Abspaltung von Wasser sowie von Isobuten, 2,3-Dihydrofuran bzw. 2,3-Dihydropyran verläuft.
  • Als Säuren lassen sich grundsätzlich beliebige Säuren, also Protonensäuren und Lewissäuren, in homogener oder heterogener Phase (z.B. saure Ionenaustauscher) verwenden. Aus verfahrenstechnischen Gründen haben sich jedoch schwerflüchtige organisch starke Säuren in homogener Phase besonders bewährt, wobei die billige p-Toluolsulfonsäure an erster Stelle zu nennen ist.
  • Die Menge der Säure beträgt zweckmäßigerweise 0,001 - 0,3, besonders 0,05 - 0,2 moläqu. pro Mol (II).
  • Vorzugsweise nimmt man die Cyclisierung bei 60 - 150°C, besonders bei 80 - 130°C und unter einem Druck von 0,05 mbar - 50 bar, besonders von 0,1 - 1 mbar vor. Die Entfernung des Wassers kann durch laufende Azeotropdestillation, z.B. mit Toluol, begünstigt werden. Die olefinischen Spaltprodukte lassen sich nach Abtrennung des Wassers wieder in die Stufe der Herstellung von (III) zurückführen.
  • Sieht man von der erfindungsgemäßen Verbesserung ab, so läßt sich das Verfahren sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich nach den üblichen Techniken ausführen, so daß sich nähere Angaben hierzu erübrigen. Dies gilt auch für die Aufarbeitung auf die Verfahrensprodukte (I).
  • Das Verfahren bietet vor allem den Vorteil, daß man die Allylalkohole (III') bei relativ niedrigen Temperaturen in die Äther (III) überführt, die bei den Reaktionstemperaturen der radikalischen Addition wesentlich leichter zu handhaben sind als die freien Alkohole. Trotz der zusätzlichen Ver- ätherungsstufe gestaltet sich das Verfahren wirtschaftlicher als bei unmittelbarer Verwendung der Alkohole (III').
    • Beispiel 1
  • Herstellung von 13-Oxabicyclo-[10.4.0]-hexadec-Δ-1,12-en 1820 g (10 mol) Cyclododecanon wurden unter Stickstoffatmo- sphäre bei 140°C im Laufe von 4 Stunden mit einer Lösung aus 114 g (1 mol) Allyl-tert.-butyläther und 29,2 g (0,2 mol) Di-tert.-butylperoxid versetzt und noch eine weitere Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Das überschüssige Cyclododecanon wurde sodann abdestilliert, wonach der Rückstand zusammen mit 10 g (58 mmol) p-Toluolsulfonsäure eine Stunde lang bei 300 mbar auf 130 C erhitzt wurde. Hierbei wurden 0,7 mol Wasser und 0,7 mol Isobuten abgespalten. Die übliche Aufarbeitung lieferte die oben genannte Verbindung in 56%iger Ausbeute.
  • Sdp. 112 - 114°C / 0,1 mbar; n
    Figure imgb0010
     = 1.5079
    • Beispiel 2
  • Herstellung von 13-Oxabicyclo-[10.4.0]-hexadec-Δ-1,12-en Cyclododecanon und Allyl-tert.-butyläther wurden analog Beispiel 1 im Laufe von 6 Stunden miteinander umgesetzt. Nach Entfernung des überschüssigen Cyclododecanons wurde der Rückstand zusammen mit 10 g p-Toluolsulfonsäure und 1 1 Toluol bei Normaldruck 3 Stunden lang unter Rückflußkühlung erhitzt, wobei das Wasser laufend azeotrop abdestilliert wurde. Die Lösung wurde mit verdünnter wäßriger NaHCO3-Lösung neutral gewaschen und danach wie üblich aufgearbeitet. Die Ausbeute an dem oben genannten Verfahrensprodukt betrug 65 %.
    • Beispiel 3 2-(3-tert.-Butoxy-prop-1-yl)-cyclopentanon
  • 638 g (7,6 mol) Cyclopentanon wurden unter Stickstoffatmosphäre bei 125 - 130°C im Laufe von 4 Stunden mit einer Lösung aus 87 g (0,76 mol) Allyl-tert.-butyläther und 33 g (0,23 mol) Di-tert.-butylperoxid versetzt und anschließend noch 4 Stunden auf 120°C gehalten.
  • Die destillative Aufarbeitung des Reaktionsgemisches lieferte das 2-(3-tert.-Butaxy-prop-1-yl)-cyclopentanon in 50%iger Ausbeute.
  • Sdp. 95 - 90°C / 0,4 mbar; n
    Figure imgb0011
     = 1,4517
    • Beispiel 4
  • Herstellung von 6-Oxabicyclo-[3,4,0]-non-Δ-1,5-en
  • 37 g (0,19 mol) des Verfahrensproduktes von Beispiel 3 wurden zusammen mit 5 g (29 mmol) p-Toluolsulfonsäure 1 Stunde lang bei 18 mbar auf 100°C erhitzt. Danach wurde das Reaktionsgemisch wie üblich aufgearbeitet; die Ausbeute an dem oben genannten bicyclischen Enoläther betrug 30 %, bezogen auf den eingesetzten Allyläther.
  • Sdp. 68 - 70°C / 0,15 mbar
    • Beispiel 5 2-(3-tert.-Butoxy-prop-1-yl)-cyclohexanon
  • 980 g (10 mol) Cyclohexanon wurden unter Rühren bei 140°C im Laufe von 2 Stunden mit einer Lösung aus 114 g (1 mol) Allyl-tert.-butyläther und 29,2 g (0,2 mol) Di-tert.--butylperoxid versetzt und noch eine Stunde bei dieser Tem- peratur gehalten. Die destillative Aufarbeitung des Reaktionsgemisches lieferte das 2-(3-tert.-Butoxy-prop-1-yl)--cyclohexanon in 60%iger Ausbeute.
  • Sdp. 85 - 90°C / 0,05 mbar; n
    Figure imgb0012
     = 1,4553
    • Beispiel 6
  • Herstellung von 7-Ox2bicyclo-[4.4.0]-dec-Δ-1,5-en
  • 180 g (0,85 mol) des Verfahrensproduktes von Beispiel 5 wurden zusammen mit 10 g (58 mmol) p-Toluolsulfonsäure und 1 1 Toluol analog Beispiel 2 der Cyclisierungsreaktion unterworfen. Die Ausbeute an dem oben genannten Verfahrensprodukt betrug 42 %, bezogen auf den Allyläther.
  • Sdp. 66 - 70°C / 0,05 mbar; n
    Figure imgb0013
     = 1,4932
    • Beispiel 7 2-(3-tert.-Butoxy-prop-1-yl)-cyclooctanon
  • 504 g (4 mol) Cyclooctanon, 46 g (0,4 mol) Allyl-tert.--butyläther und 23 g (0,16 mol) Di-tert.-butylperoxid wurden analog Beispiel 1 umgesetzt. Die Ausbeute an 2-(3-tert.--Butoxy-prop-1-yl)-cyclooctanon betrug 84 %.
  • Sdp. 105 - 110°C / 0,15 mbar; n
    Figure imgb0014
     = 1,4681
    • Beispiel 8
  • Herstellung von 9-Oxabicyclo-[6.4.0]-dodec-Δ-1,8-en
  • 49 g (0,2 mol) des Verfahrensprodukts von Beispiel 7 wurden zusammen mit 5 g (29 mmol) p-Toluolsulfonsäure und 0,5 Toluol auf die in Beispiel 2 beschriebene Weise der Cyclisierungsreaktion unterworfen. Die Aufarbeitung lieferte die oben genannte Verbindung in 75%iger Ausbeute, bezogen auf den Allyläther.
  • Sdp. 55°C / 0,15 mbar; n
    Figure imgb0015
     = 1,4938
    • Beispiel 9
  • Herstellung von 13-Oxabicyclo-[10.4.0]-hexadec-Δ-1,12-en
  • 237 g (1,3 mol) Cyclcdodecanon wurden bei 140°C im Laufe von 6 Stunden mit 142 g (1 mol) 2-Allyloxytetrahydropyran und 56 g (0,38 mol) Di-tert.-butylperoxid versetzt und anschließend noch 5 Stunden bei dieser Temperatur gehalten.
  • Nach Entfernung des überschüssigen Cyclododecanons wurde das Additionsprodukt zusammen mit 1 g (6 mmol) p-Toluolsulfonsäure bei 0,1 mbar auf 125°C erhitzt, wobei die oben genannte Verbindung überdestillierte und in 65%iger Ausbeute anfiel.
  • Unter gleichen Bedingungen, jedoch mit 10 mol Cyclodedecanon konnte die Ausbeute auf 75 % erhöht werden.
    • Beispiel 10
  • Herstellung von 7-Oxabicyclo-[4.4.0]-dec-Δ-1,6-en
  • 980 g (10 mol) Cyclohexanon, 142 g (1 mol) 2-(Allyloxy)--tetrahydropyran und 56 g (0,38 mol) Di-tert.-butylperoxid wurden analog Beispiel 6 zu der oben genannten Verbindung umgesetzt; die Ausbeute betrug 55 %.
    • Beispiel 11
  • Herstellung von 14-Methyl-13-oxabicyclo-[10.4.0]-hexadec-Δ--1,12-en
  • 910 g (5 mol) Cyclododecanon, 78 g (0,5 mol)-2-(But-1-en-3--yloxy)-tetrahydropyran und 28 g (0,18 mol) Di-Tert.-butylperoxid wurden analog Beispiel 6 zu der oben genannten Verbindung umgesetzt. Die Ausbeute betrug 44 %.
  • Sdp. 110 - 1120C / 0,1 mbar.
    • Beispiel 12
  • Herstellung von 13-Oxabicyclo-[10.4.0]-hexadec-Δ-1,12-en
  • 455 g (2,5 mol) Cyclododecanon wurden unter Stickstoffatmosphäre bei 100°C im Laufe von 4 Stunden mit einer Lösung aus 57 g (0,5 mol) Allyl-tert.-butyläther und 23 g (0,1 mol) tert.-Butylperoctoat versetzt und noch eine weitere Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Das überschüssige Cyclododecanon wurde sodann abdestilliert, wonach der Rückstand zusammen mit 3 g (17,4 mmol) p-Toluolsulfonsäure eine Stunde lang bei 20 mbar auf 100°C erhitzt wurde. Danach wurde das Reaktionsgemisch wie üblich aufgearbeitet; die Ausbeute an dem oben genannten bicyclischen Enoläther betrug 30 %, bezogen auf den Allyläther.
    • Beispiel 13
  • Kontinuierliche Herstellung von 13-Oxabicyclo-[10.4.0]-hexa- dec-Δ-1,12-en
  • Eine Lösung aus 1 400 g Cyclohexan, 310 g (5 mol) Cyclododecanon, 114 g (1 mol) Allyl-tert.-butyläther und 58,4 g (0,4 mol) Di-tert.-butylperoxid wurden im Verlauf von 25 Stunden bei 150°C und 18 bar durch einen 0,3-1-Rührautoklaven gepumpt. Aus dem Reaktionsaustrag wurde das Lösungsmittel und das überschüssige Cyclododecanon abdestilliert, wonach der Rückstand zusammen mit 15 g (87 mmol) p-Toluolsulfonsäure eine Stunde lang bei 300 mbar auf 120°C erhitzt wurde. Die übliche Aufarbeitung lieferte die oben genannte Verbindung in 40%iger Ausbeute.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von bicyclischen Enoläthern der allgemeinen Formel I
Figure imgb0016
in der n einen Wert von 3 - 12 hat und in der die Reste R1 - R3 für Wasserstoff oder einen C1 - C4-Alkylrest stehen, durch radikalische Addition einer Allylverbindung an ein cyclisches Ketcn der allgemeinen Formel IV
Figure imgb0017
und anschließende sauer katalysierte Cyclisierung zu (I), dadurch gekennzeichnet, daß man als Allylverbindung einen Allyläther der allgemeinen Formel III
Figure imgb0018
verwendet, in welcher R4 die tert.-Butylgruppe, die Tetrahydrofuran-2-yl-gruppe oder die Tetrahydropyran--2-yl-gruppe bedeutet.
2. Äther von 2-(3-Hydroxy-prop-1-yl)-cycloalkanonen der allgemeinen Formel II
Figure imgb0019
in der R4 die tert.-Butylgruppe, die Tetrahydrofuran--2-yl-gruppe oder die Tetrahydropyran-2-yl-gruppe bedeutet.
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